黑龍江墾區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)兩種GPS差分方式比較研究

 

摘要：為了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗(yàn)需要，采用了GPS定位差分系統(tǒng)，以提高GPS系統(tǒng)定位精度。本文對(duì)黑龍江墾區(qū)現(xiàn)有兩種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)GPS差分方式進(jìn)行了介紹，并對(duì)兩種GPS差分方式進(jìn)行了比較研究。

　　關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，全球定位系統(tǒng)，差分系統(tǒng)

　　1.前言

　　2002年黑龍江農(nóng)墾總局在友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)引進(jìn)美國(guó)CASE公司整套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地。2003年黑龍江農(nóng)墾總局又在大西江農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)美國(guó)JOHNDEERE公司整套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，建立了大西江精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地。通過(guò)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)示范基地GPS差分方式的比較，對(duì)兩種GPS差分方式有了一個(gè)初步認(rèn)識(shí)。

　　2.全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）

　　全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)是美國(guó)的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS的空間部分使用24顆衛(wèi)星組成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，每天24小時(shí)為全球陸、海、空用戶(hù)全天侯提供三維位置、速度和時(shí)間信息。全球定位系統(tǒng)(GPS)自從建立以來(lái)，已得到非常廣泛的應(yīng)用。但美國(guó)出于其戰(zhàn)略上的考慮，對(duì)外應(yīng)用上,于1991年7月開(kāi)始實(shí)施SA政策，SA(SelectiveAvailability)稱(chēng)為有選擇可用技術(shù),即人為地將誤差引入衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS定位精度，使用戶(hù)的GPS接收機(jī)精度都在100米左右。雖然美國(guó)政府1999年取消SA政策，但定位精度仍然在15米左右，這樣的精度不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需要，也給使用者帶來(lái)極大不便。

　　3.差分GPS定位系統(tǒng)（DGPS）

　　為了提高GPS定位精度，采用差分技術(shù)（DifferentialGPS）可以改善因各種誤差所影響的定位精度，使定位精度提高到亞米級(jí)或厘米級(jí)。差分定位是在一個(gè)地理位置準(zhǔn)確已知點(diǎn)建立差分基準(zhǔn)臺(tái)，實(shí)時(shí)計(jì)算出差分誤差信息，并將此信息傳送給用戶(hù)，用戶(hù)即可得到高精度定位。

　　3.1友誼農(nóng)場(chǎng)區(qū)域自主型地面站GPS差分系統(tǒng)

　　友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)示范試驗(yàn)基地DGPS定位系統(tǒng)采用區(qū)域自主型地面站GPS差分方式，使用的GPS差分方式是采用偽距差分方式（RTCM方式，RadioTechnicalCommissionforMaritimeServices，航海無(wú)線(xiàn)電技術(shù)委員會(huì)），在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)求得它至可見(jiàn)衛(wèi)星的距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測(cè)量值加以比較求出其偏差，然后將所有衛(wèi)星的測(cè)距誤差利用數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)傳輸給田間作業(yè)機(jī)器（如聯(lián)合收割機(jī)），田間作業(yè)機(jī)器上的GPS接收機(jī)接收GPS信號(hào)的同時(shí)利用數(shù)傳接收電臺(tái)接收測(cè)距誤差來(lái)改正測(cè)量的偽距，**后利用改正后的偽距來(lái)解出自身的位置，從而消去公共誤差，提高定位精度。GPS的定位誤差一般在15m以?xún)?nèi)，而RTCM差分后的DGPS的定位誤差是亞米級(jí)的，即定位誤差在1m以?xún)?nèi)，這種精度能保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的定位需求。區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　圖1區(qū)域自主型GPS差分系統(tǒng)組成示意圖

　　1.聯(lián)合收割機(jī)；2.車(chē)載AG132型GPS天線(xiàn)；3.數(shù)傳接收電臺(tái)天線(xiàn)；4.GPS衛(wèi)星；5.35瓦PCC數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)天線(xiàn)；6.固定AG214型GPS天線(xiàn)；7.友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)辦公樓

　　黑龍江省友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)DGPS系統(tǒng)由地面固定式GPS差分站和移動(dòng)式DGPS接收系統(tǒng)組成。地面GPS差分站設(shè)備包括Ag214（MS750）型雙頻GPS接收機(jī)，GPS接收天線(xiàn)、35瓦PCC數(shù)傳發(fā)射電臺(tái)、PCC數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線(xiàn)、12伏直流穩(wěn)壓電源等組成。

　　Ag214（MS750）型GPS接收機(jī)由美國(guó)天寶（Trimble）公司生產(chǎn)，為精確動(dòng)態(tài)定位而設(shè)計(jì)的雙頻GPS接收機(jī)，在精確定位、導(dǎo)航及控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，該接收機(jī)的精度高，適合作為地面GPS差分基準(zhǔn)站的接收機(jī)。

　　數(shù)據(jù)鏈（差分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸）使用的是甚高頻（UHF）的無(wú)線(xiàn)電通訊設(shè)備（數(shù)傳電臺(tái)），傳輸距離與電臺(tái)發(fā)射天線(xiàn)高度、功率及移動(dòng)站天線(xiàn)和基準(zhǔn)站天線(xiàn)間的阻擋有關(guān)。友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)辦公樓頂部PCC數(shù)傳電臺(tái)發(fā)射天線(xiàn)長(zhǎng)度2米，架設(shè)高度為14米。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，數(shù)傳電臺(tái)作用距離為30公里，完全可以滿(mǎn)足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)需要。

　　移動(dòng)式DGPS接收系統(tǒng)由接收衛(wèi)星信號(hào)的移動(dòng)式Ag132型GPS接收機(jī)和用于接收差分信號(hào)的PCC無(wú)線(xiàn)電數(shù)傳接收機(jī)組成，PCC無(wú)線(xiàn)電數(shù)傳接收機(jī)通過(guò)RS-232串行接口與Ag132型GPS接收機(jī)相連接，RS-232串行接口數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置為RTCM格式，即差分信號(hào)格式，波特率為9600b/s、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、沒(méi)有校驗(yàn)位。

　　3.2大西江農(nóng)場(chǎng)GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)

　　黑龍江墾區(qū)九三農(nóng)墾分局大西江農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范基地采用GPS差分方式是衛(wèi)星差分形式。GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。（圖中為表示清楚，聯(lián)合收割機(jī)上安裝的GPS接收機(jī)天線(xiàn)和差分信號(hào)接收機(jī)天線(xiàn)為分置的，實(shí)際兩個(gè)天線(xiàn)合置在一個(gè)圓球形天線(xiàn)內(nèi)部，特此說(shuō)明。）

　　圖2GPS衛(wèi)星差分系統(tǒng)組成示意圖

　　大西江農(nóng)場(chǎng)的約翰迪爾公司“綠色之星”精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用“星火”DGPS接收機(jī)，該DGPS接收機(jī)采用雙頻差分SF2衛(wèi)星差分系統(tǒng)，平均定位精度誤差為±4英寸（±10厘米）。地球同步衛(wèi)星差分系統(tǒng)是由美國(guó)修斯頓OMNISTAR公司提供，OMNITSTAR廣域衛(wèi)星差分服務(wù)被約翰迪爾的“綠色之星”系統(tǒng)所使用。OMNISTAR衛(wèi)星差分信號(hào)，覆蓋全球90%的區(qū)域，約翰迪爾公司“星火”GPS網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星差分系統(tǒng)，有兩個(gè)地面注入站，將差分信號(hào)送上修斯頓公司三顆地面同步衛(wèi)星。

　　4.差分方式比較研究

　　黑龍江墾區(qū)GPS差分形式目前有地面站差分和衛(wèi)星差分兩種形式。友誼農(nóng)場(chǎng)采用地面基準(zhǔn)站差分方式；大西江農(nóng)場(chǎng)采用衛(wèi)星差分方式，這兩種差分方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　友誼農(nóng)場(chǎng)五分場(chǎng)二隊(duì)試驗(yàn)示范基地應(yīng)用區(qū)域自主型單站DGPS系統(tǒng)，一次性建站投資比較大，后期運(yùn)行費(fèi)用比較低，沒(méi)有衛(wèi)星差分信號(hào)服務(wù)費(fèi)用，但服務(wù)半徑相對(duì)較小，大約為30公里左右。基準(zhǔn)站采用AG214型雙頻GPS接收機(jī)，定位精度較高，但價(jià)格也較高；車(chē)載移動(dòng)GPS采用AG132型單頻GPS接收機(jī),價(jià)格較低，但定位精度低于雙頻接收機(jī)，差分信號(hào)傳輸格式為偽距差分（RTCM）。友誼農(nóng)場(chǎng)DGPS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩年試驗(yàn)示范表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、定位精度達(dá)到目前友誼農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)示范需要。

　　大西江農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用的DGPS系統(tǒng)為衛(wèi)星差分GPS系統(tǒng)，該差分方式是一種收費(fèi)提供差分服務(wù)的形式，服務(wù)半徑比較大，每臺(tái)“星火”DGPS定位系統(tǒng)每年要向約翰迪爾公司交納800美元差分信號(hào)服務(wù)費(fèi)用。車(chē)載移動(dòng)DGPS采用“星火”雙頻差分GPS接收機(jī),定位精度較高，價(jià)格相應(yīng)也較貴。由于大西江農(nóng)場(chǎng)引進(jìn)的大型氣吹式變量施肥播種機(jī)幅寬18米，配備劃印器比較困難，沒(méi)有安裝劃印器，依靠DGPS設(shè)備對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航。為了避免重播、漏播，要求配備在拖拉機(jī)上的DGPS定位設(shè)備定位導(dǎo)航精度比較高，配套的“星火”DGPS定位設(shè)備“趟—趟”運(yùn)動(dòng)精度誤差為±10厘米。由于設(shè)備引進(jìn)的時(shí)間比較短，定位精度能否達(dá)到達(dá)到大西江農(nóng)場(chǎng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)導(dǎo)航（高定位精度）試驗(yàn)示范需要，還需要進(jìn)一步測(cè)試和試驗(yàn)。

　　作者簡(jiǎn)介：王新忠，女，41歲，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院副教授，主要從事工程力學(xué)教學(xué)及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)科研工作。

　　資助項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（課題編號(hào)：2003AA209090）資助

　　作者聯(lián)系方式：黑龍江省大慶市開(kāi)發(fā)區(qū)黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院王新忠

 

發(fā)表于 @ 2008年06月29日 10:43:00 |點(diǎn)擊數(shù)（）

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